Elektrizität: Schlüssel zu einem nachhaltigen und klimaverträglichen ...

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Kraftwerken wird je nach Technologie (Parabolrinnen, Solartürme) ein primärer Wärmeträger auf Temperaturen
von bis zu etwa 1000 °C erhitzt. In einem Wärmetauscher wird die (nur tagsüber erzeugte)
thermische Energie auf einen sekundären Dampfkreislauf übertragen, mit dem eine Dampfturbine betrieben
wird. Durch Einsatz von zusätzlichen Wärmespeichern im System könnten die Turbinen auch nachts
versorgt werden, wodurch im Prinzip ein (bisher noch nicht realisierter) kontinuierlicher 24h-Betrieb erreicht
werden kann.
Typische Parameter der primären Wärmeträger für die wichtigsten Systeme sind:
Thermoöl 400°C 15 bar
Wasser/Dampf 400°C 100 bar
Luft 1000°C 1 bar
Prinzipiell können diese primären Wärmeträger auch direkt in großen Tanks gespeichert werden. Die
Wärmekapazität von Luft (und eingeschränkt auch von Dampf) ist jedoch so gering, dass hier der
Wärmetausch auf ein anderes Speichermedium zwingend erforderlich ist. Auch bei Thermoöl wird aus
Kostengründen meist auf ein billigeres Speichermedium zurückgegriffen.
Die bisher entwickelten aussichtsreichsten Systeme sind:
Salzschmelze: Z.B. in den spanischen Andasol-Kraftwerken wird eine eutektische Mischung von 60%
NaNO3 und 40% KNO3 eingesetzt. Diese Salze haben einen niedrigen Schmelzpunkt (222°C), sind großtechnisch
verfügbar und relativ billig (Düngemittel). Es kann sensible Wärme mit einer Wärmekapazität von
1,6 kJ/kg K gespeichert werden, wobei der zur Speicherung von sensibler Wärme nutzbare Temperaturbereich
durch den Schmelzpunkt nach unten und der Temperatur des primären Wärmeträgers nach oben
begrenzt ist. Hauptnachteil ist, dass die Salzmischung unter 222°C fest wird und daher ständig geheizt
werden muss, um eine Zerstörung des Systems zu verhindern.
Beton: Durch Wärmetauscher-Rohrbündel in einer festen Betonmatrix wird sensible Wärme in einem
Temperaturbereich von 200 bis zu über 500°C im (relativ billigen) Feststoff Beton gespeichert. Die Wärmekapazität
beträgt 1,3 kJ/kg K. Hauptschwierigkeit ist das (freie oder chemisch gebundene) Restwasser im
Beton, das in den ersten Zyklen aus dem System entweichen muss. Es muss daher für eine ausreichende
Dampfdurchlässigkeit gesorgt werden.
Weiterhin ist die unterschiedliche Wärmeausdehnung der Rohre im Vergleich zu Beton zu beachten. Es ist
daher eine gewisse Bewegungsfreiheit der Rohre zu gewährleisten ohne den Wärmetransport zu behindern.
Sandspeicher: Insbesondere für Solartürme wird ein Speicherkonzept entwickelt, bei dem in einem
Gegenstromwärmetauscher die etwa 1000°C heiße Luft ihre Wärmeenergie an den Feststoff Sand abgibt.
Hier wird also das „quasifluide“ Speichermaterial Sand gefördert und nach der Erwärmung in einem Vorratsbehälter
gespeichert. In einem weiteren Wärmetauscher kann diesem Sand die Wärme wieder entzogen
werden. Die Kosten für das Speichermaterial sind sehr gering, die Investitionen aufgrund des komplizierten
Systemaufbaus jedoch sehr viel höher.
PCM: Beim Phasenwechsel (z.B. Übergang fest-flüssig) wird sehr viel thermische Energie in einem
schmalen Temperaturintervall gespeichert. PCM-Speicher (Phase Change Materials) sind daher ideale
Speicher für das Wasser/Dampf-System, in dem der Großteil der thermischen Energie im Phasenübergang
enthalten ist. Dabei müssen jedoch die Umwandlungstemperaturen auf Primär- und Sekundärseite
aufeinander abgestimmt sein (z.B. durch den Betriebsdruck im Dampfkreislauf).